土石坝的剖面与构造
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《水工建筑物》第四章：土石坝的剖面设计构造、筑坝材料、渗流及稳定分析、裂缝控制及地基处理等基础知识
土石坝
第四章 土石坝
土石坝
第一节 概述
一、 土石坝及其优缺点 土石坝是土坝与堆石坝的总称。
土坝：土和砂砾石为主； 堆石坝：石渣、卵石、爆破石料为主。 土石混合坝：上述材料按一定的比例选择。 利用坝址附近的土石料填筑而成的挡水建筑物。又称 “当地材料坝”。
坝型 土石坝 重力坝 拱坝 支墩坝 总计
各坝型数量的比价
天生桥一级
小浪底
土石坝
枢纽名称 糯扎渡 瀑布沟 苗家坝 三板溪 洪家渡
建成或在建的大型土石坝
省份 云南 四川 甘肃 贵州 贵州
河流 澜沧江 大渡河 白龙江 清水江 六冲河
坝型 最大坝高（m）
心墙堆石坝
258
心墙堆石坝 186（2009）
面板堆石坝
111
面板堆石坝 185.5 （2006）
面板堆石坝 179.5 （2004）
②为最大风雍高度，可按下式计算： e 0.036 v f 2 D cos
2gH
vf——风速；D——库面吹程；H——库前水深； α——风向与坝轴线法向方向夹角。
土石坝
土石坝
③安全超高A按坝的级别和运用情况根据下表确定（单位：m）
坝的级别
1
2
3 4、5
正常（设计、正常蓄 水位）
1.5
1.0
0.7
坝顶高程
静水位
风雍水面
1：m
R——波浪爬高；e——风雍高度；A——安全加高
土石坝
坝顶高程计算时应注意： ①《碾压式土石坝设计规范》中规定波浪爬高R按不规则波
进行计算： 计算出平均爬高Rm后，再根据爬高统计分布与平均 爬高之间的关系进行换算： 设计爬高按工程等级确定——对I、II、III级土石 坝，取累积频率为1%的爬高值，对IV、V级土石坝， 取累积频率为5%的爬高值。
第四章 土石坝
土石坝
第一节 概述
一、 土石坝及其优缺点 土石坝是土坝与堆石坝的总称。
土坝：土和砂砾石为主； 堆石坝：石渣、卵石、爆破石料为主。 土石混合坝：上述材料按一定的比例选择。 利用坝址附近的土石料填筑而成的挡水建筑物。又称 “当地材料坝”。
坝型 土石坝 重力坝 拱坝 支墩坝 总计
各坝型数量的比价
天生桥一级
小浪底
土石坝
枢纽名称 糯扎渡 瀑布沟 苗家坝 三板溪 洪家渡
建成或在建的大型土石坝
省份 云南 四川 甘肃 贵州 贵州
河流 澜沧江 大渡河 白龙江 清水江 六冲河
坝型 最大坝高（m）
心墙堆石坝
258
心墙堆石坝 186（2009）
面板堆石坝
111
面板堆石坝 185.5 （2006）
面板堆石坝 179.5 （2004）
②为最大风雍高度，可按下式计算： e 0.036 v f 2 D cos
2gH
vf——风速；D——库面吹程；H——库前水深； α——风向与坝轴线法向方向夹角。
土石坝
土石坝
③安全超高A按坝的级别和运用情况根据下表确定（单位：m）
坝的级别
1
2
3 4、5
正常（设计、正常蓄 水位）
1.5
1.0
0.7
坝顶高程
静水位
风雍水面
1：m
R——波浪爬高；e——风雍高度；A——安全加高
土石坝
坝顶高程计算时应注意： ①《碾压式土石坝设计规范》中规定波浪爬高R按不规则波
进行计算： 计算出平均爬高Rm后，再根据爬高统计分布与平均 爬高之间的关系进行换算： 设计爬高按工程等级确定——对I、II、III级土石 坝，取累积频率为1%的爬高值，对IV、V级土石坝， 取累积频率为5%的爬高值。
《土石坝基本剖面》课件
粘土心墙剖面包括了使用粘土填充的中心 墙，提供额外的强度和稳定性。
剖面参数
最大坝高 下游坡度 上游坡度 水面宽度 坝顶宽度
最大高度，通常是从坝基到坝顶的垂直距离。 坝面垂直于下游方向的倾斜程度。 坝面垂直于上游方向的倾斜程度。 坝顶水面的宽度。 坝顶的宽度。
剖面设计
设计依据
剖面设计应基于地质条件、水力要求和工程可行性。
《土石坝基本剖面》PPT 课件
土石坝是一种人工构筑物，用于阻挡水流并储存水资源。本课件将介绍土石 坝的基本剖面设计及其重要性。
简介
土石坝是一种由土壤和石块组成的建筑物，用于阻挡水流并储存水资源。它们起着调节洪水、发电和供 水的重要作用。
基本构成
石质部分
堆石坝和砌石坝是两种常见的石质土石坝类型。
土质部分
未来发展趋势
未来土石坝基本剖面设计可 能会借鉴新技术和创新方法 以提高工程效率和可持续性。
合土坝是一种单剖面
2 复合剖面
简单剖面是一种直线或平缓倾斜的剖面形 式，适用于较小的土石坝。
复合剖面结合了不同的剖面元素，适用于 中等大小的土石坝。
3 渗透稳定土坝剖面
4 粘土心墙剖面
渗透稳定土坝剖面专注于土壤渗透性和稳 定性的设计，适用于特殊地质条件下的土 石坝。
剖面要求
剖面设计要满足安全性和经济性方面的要求。
不同类型土石坝剖面的设计要点
不同类型土石坝剖面的设计要点应根据其特点和功能进行考虑。
结论
土石坝基本剖面的 重要性
土石坝基本剖面的设计对坝 体的稳定性和可持续性发挥 着重要作用。
设计时需要注意的 问题
在进行土石坝基本剖面设计 时，应考虑地质条件、水文 要求和工程可行性等因素。
水工建筑物-土石坝(第三章)
三、设计的基本要求 2.设置防渗和排水设施，控制渗流 土石坝挡水后，在坝体内形成渗流，在饱和
区，土石料承受上浮力，减轻了有效重量；浸水 使c、φ值减小；渗流力对坝坡稳定不利；渗流逸 出时可能引起管涌、流土等渗流破坏。设置防渗 和排水可以控制渗流范围、减小逸出比降，增加 抗滑和抗渗稳定。防渗设施还有利于减小坝体和 坝基的漏水量。
水布垭混凝土面板堆石坝
水布垭位于湖北巴东清 江上，坝高233m，坝 顶长576m。主体建筑 物有：混凝土面板堆石 坝、河岸式溢洪道、右 岸地下式电站厂房和放 空洞等。
土石坝
小浪底水电站位于 河南洛阳；大坝为 斜心墙土石坝，坝 高154m。
小浪底土坝
密云水库
土石坝
密云水库位于北京市密云县，水库库容 41．9亿m3 ，大坝为壤土斜墙土坝，总 长4559．5 m，最大坝高66m。密云水 库修建于上世纪50年代末，当时清华大学 组织了本科生、研究生、年青教师共计近 百人，分成近二十个组参与水位、地质、 水工、机电、环境、泥沙、专业的设计、 施工，前后历时2年。
2 gH m
式中 k——综合摩阻系数，其值在（1.5～5.0）
×10-6之间，计算时一般取3.6×10-6；
D ——风区长度（m）；
—H m—坝前风区水域平均水深（m）；
— —计算风向与坝轴线法线的夹角（°）；
w——计算风速（m/s），正常运用情况，1、2
w 级坝，取 =（1. 5～2.0） w，m3ax 、4级坝取
中、低坝 b=5～10m。 坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布 置的需要。在寒冷地区，坝顶还需有足够的厚度， 以保护粘性土料防渗体免受冻害。
以上、以下坝坡2系m数上 。m下
)
，m上
最新一、土石坝剖面设计内容
（4）堆石料
堆石的填筑标准，宜以孔隙率为设 计控制标准。
其中：土质防渗体分区坝的堆石料， 其孔隙率宜为20％～28％。
4 土石坝的构造
主要内容：
坝顶、防渗体、排水设施和护坡等。
一、坝顶
坝顶路面和浆砌石防浪墙
钢筋混凝土防浪墙
1-浆砌石防浪墙；2-钢筋混凝土防浪墙；3-坝顶路面；4-沙砾坝壳； 5-心墙；6-方柱；7-排水管；8-回填土
二、坝体不同部位对土石料的要求
（一）防渗土料
①渗透系数 ②水溶盐含量 ③有机质含量 ④有较好的塑性和渗透稳定性； ⑤浸水与失水时体积变化小。
（二）坝壳土石料
坝壳填料应使坝体具有足够的稳定性、 较高的强度，并具有良好的排水性。
作为坝壳填料。
5～10m，常取H/10。）
四、土石坝的坝坡选择
坝坡与坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质以及施 工方法有关。
常用坝坡： 中低坝 1:3 土质防渗体的心墙坝，下游坝壳为堆石时，坝 坡为1:1.5～1:2.5，采用土料时1:2.0～ 1:3.5 斜墙坝下游坝坡可略陡，上游略缓 面板坝：根据石料不同可选1:1.4～1:1.7 1:1.3～1:1.4 1:1.5～1:1.6
中等高度坝。
（2）棱体排水
结构：下游坡脚用块石堆成的棱体，顶宽1～2m，坝坡 （内1:1～1:1.5、外1:1.5～1:2.0）
优点：降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游不受尾 水淘刷，增加稳定.
缺点：石料用量大，费用高，与坝体施工干扰，检修 困难.
适用：较高的土坝及石料较多的地区。
（3）褥垫式排水
三、坝体不同部位对土石料的填筑标准
填筑标准主要由填筑密度控制。 （1）对不含砾石或砾石含量很少的 粘性土料，以压实干容重作为设计标准。 （2）对含砾石的粘性土料，以最大 干密度和最优含水量作为设计标准。
土石坝的剖面与构造
三、坝坡 坝坡与坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质以及施工方 法有关， 一般参照工程实践类比拟定，然后核算、修改确定。 在满足 稳定的前提下，尽可能陡以节约工程量。
4/21/2021
原则：
（1）上游坝坡比下游缓——上游坝坡长期处于 饱和状态，水库水位也可能快速下降。 （2）斜墙坝的上游坝坡较心墙坝为缓——土质 防渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性控 制，下游坝坡相反。 （3）变坡与不变坡——粘性土料的稳定坝坡上 部陡，下部缓，每隔10～30m，逐段放缓，相邻 坡率差值取0.25或0.5；
R
4/21/2021
坝顶超高计算图
d ReA
一、坝顶高程 ▽坝顶＝▽静水位+d（坝顶超高）: ●按四种条件计算，取最大值：
① ▽坝顶＝▽设计+ d正常； ② ▽坝顶＝▽正常+ d正常；
③ ▽坝顶＝▽校核+ d非常；④ ▽坝顶＝▽正常+ d非常 +△A地震。
●设防浪墙时，为对▽防浪的要求，正常条件下▽坝顶
3 2
2．下游坝坡
下游坝坡工作条件相对上游坝坡好些，一般 宜简化设置。下游护坡型式一般有： 1）草皮护坡； 2）单层干砌石护坡； 3）卵石或碎石护坡； 4）混凝土框格填石护坡； 5）其他型式。
4/21/2021
3．坝面排水
除了干砌石或堆石护坡之外，下游坝坡均 须设置坝面排水，排水应包括坝顶、坝坡、坝 头及坝下游等部位的集水、截水和排水措施。 同时，坝坡与岸坡连接处也应设排水沟，其集 水面积应包括岸坡积水面积在内。
●土质心墙坝，下游为堆石1：1.5～1：2.5，采用土 料1：2.0～1：3.0；上游采用堆石1：1.7～1：2.7， 采用土料1：2.5～1：3.5。 ●斜墙坝下游可略陡；上游可略缓，石质放缓0.2，土 质放缓0.5。 ●面板堆石坝，上游1：1.4～1：1.7；下游1：1.3～1： 1.4，卵砾石1：1.5～1：1.6，H＞110m时，适当放缓。
水利工程第三章三
（二）土石坝的剖面
土石坝的基本剖面是一 个梯形，它的尺寸主要应满 足挡水、边坡稳定和防渗的 要求。
坝顶高程、坝顶宽度、坝的
上下游边坡、防渗体和排水
设备的轮廓尺寸等。
坝顶高程
坝顶高程
坝顶宽度
H
Lα
四、筑坝土料的性质
一般土料原则上均可作为碾压式土石坝的筑坝材 料，或经处理后用于坝的不同部位。但下列土料 不宜采用：沼泽土、斑脱土、地表土及含有未完 全分解有机质的土料。
一、碾压砼坝 采用少灰超干硬性砼经碾压密实凝结而
成，它在形式和分析计算方法上与一般常规 砼坝基本相同，只是在材料和施工工艺上做 了重大的改进。
胶凝材料：常态砼：水泥 RCC砼：水泥、粉煤灰。
二、砼面板堆石坝
• 面板堆石坝迅速发展的原因 • 1、面板设计于堆石体上游面，水压力在上游
坝面的铅直分力有助于坝的稳定，坝体工程量 是土石坝中最小的； • 2、振动碾压使得高密实度堆石体变形小； • 3、面板兼有护坡防浪作用，经济合理； • 4、面板在上游面，便于检查维修； • 5、坝体填筑没有粘性土填方，施工干扰小， 气候影响也小，基本可全年施工。 • 弱点：面板对基础沉陷敏感，不抗漂浮物冲击。
2）土石坝设计的 一般要求
（1）不允许水流漫顶，要求坝体有一定 的超高； （2）满足渗流要求； （3）坝体和坝基必须稳定； （4）应避免有害裂缝及必须能抵抗其他 自然现象的破坏作用； （5）安全使用前提下，力求经济美观。
二、土石坝的类型
按坝体高度可分为：高 坝、中坝、低坝。按施工方 法可分为：碾压式土石坝， 抛填式土石坝，水力冲填坝 和定向爆破堆石坝等。
粘性土：防渗性能好，宜做土坝的防渗材料， 但不能用粘性土来做均质坝。
土石坝概述和基本剖面
主坝坝型粘土心墙土石坝，最大坝高62 米，坝顶长度591米(主坝)，坝基岩石为 砂砾岩，坝体工程量为386万立米。主 要泄洪方式岸边溢洪道。
二、土石坝广泛应用的原因： 优点：
（1）可以就地取材，可节省大量钢材和水泥，免修公路； （2）较能适应地基变形，对地基的要求比砼坝要低； （3）结构简单，工作可靠，便于维修和加高、扩建； （4）施工技术简单，工序少，便于组织机械化快速施工。 不足之处： 坝顶不能过流，必须另开溢洪道，施工导流不如砼坝 便利，对防渗要求高，因为剖面大，所以填筑量大而 且施工容易受季节影响。
3、护坡：占总体造价的10%
（1）上游 坝坡受波浪淘刷、渗流、冰冻等破坏作用；上游护坡： 砌石护坡、堆石护坡、沥青砼护坡等； 上游护坡
上部自坝顶起，如设防浪墙时应与防浪墙连接，下 部至死水位以下不宜小于2.5m，4级、5级坝可减至 1.5m。最低水位不确定时应护至坝脚。
（2）下游 有雨水、风、动物、根部发达的植物以及干裂等破坏。
•密云水库 密云水库建北 京密云潮白河。 多年平均流量 50秒立米,设计 洪水流量 16500秒立米, 总库容43.75亿 立米,设计灌溉 面积400万亩, 装机容量8.8万 主坝坝型为粘土斜墙土坝,最大坝高66米 (白河主坝),坝顶长度960米(白河主坝)。 千瓦。 主要泄洪方式为岸边溢洪道,大坝特点是 坝基混凝土墙和灌浆防渗。
图6-8 贴坡排水
（2）棱体排水（图6-9）：在下游坝脚处用块石堆成 棱体，需设反滤层。 特点：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保 护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体增加其稳定的 作用，是一种可靠的排水型式。但石料用量大，费用 高，检修困难。 适用：较高的土坝及石料较多的地区。
（3）褥垫排水（图6-10）：用块石、砾石平铺在靠下游 侧的坝基上，并在其周围布臵反滤层而构成的水平排水体， 伸入坝体长度1/3~1/4坝底宽。 特点：下游无水时，能有效降低浸润线，有助于坝基排水。 但对不均匀沉降的适应性较差，当下游水位高于排水设备 时，降低浸润线的效果明显降低，我国应用较少。 适用: 下游无水或水位较低的情况.
第二节 土石坝的剖面
2、坝顶宽度
取决于交通需要、构造要求和施工条件。 当坝高在30m~100m时， 当坝高在30m~100m时，Bmin = 0.1H ; 当坝高大于100m时， 当坝高大于100m时， Bmin = H1/2 .
3、坝面坡度
取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条 件、施工方法及坝型等因素。 (1)均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓； (1)均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓； (2)粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓，而下游 (2)粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓，而下游 坝坡可比心墙坝陡些； (3)土料相同时上游坡缓于下游坡； (3)土料相同时上游坡缓于下游坡； (4)粘土均质坝的坝坡与坝高有关，坝高越大坝坡 (4)粘土均质坝的坝坡与坝高有关，坝高越大坝坡 越缓； (5)碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。 (5)碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。
二、坝的内部构造
土石坝的内部构造包括： 防渗体、排水设 备、反滤层和护坡。 1、防渗体满足减小渗透量、降低浸润线 和控制渗透坡降的要求。 其种类有：粘性土心墙（图6 其种类有：粘性土心墙（图6-3）、粘性土 斜墙（图6 斜墙（图6-4，6-5）、粘性土斜心墙（图 6-6）、沥青混凝土防渗墙(图6-7) ）、沥青混凝土防渗墙(
（3）褥垫排水
（图6 10）：用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝 （图6-10）：用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝 基上，并在其周围布置反滤层而构成的水平排水 体，伸入坝体长度一般不超过坝底宽的1/4~1/3. 体，伸入坝体长度一般不超过坝底宽的1/4~1/3. 特点：下游无水时，能有效降低浸润线，有助于 坝基排水，但对不均匀沉降的适应性较差，当下 游水位高于排水设备时，降低浸润线的效果明显 降低，我国应用较少。 适用: 下游无水或水位较低的情况. 适用: 下游无水或水位较低的情况.
土质心墙坝设计20120927
坝顶上游侧宜设防浪墙，墙顶应 高于坝顶1-1.2m
坝顶宽度确定
坝顶宽度确定： SL 274—2001及DLT 5295-2007《碾压式 土石坝设计规范》规定：高坝顶宽可选 为10~15m,中低坝顶宽可选5~10m.
坝坡坡率的确 定
土质方防渗体的心墙坝，
下游：坝壳采用堆石时，常用坡率为1:1.5~1:2.5， 坝壳采用土料时，常用坡率为1:2.0~1:3.0
SL274-2001：坝顶高程应高于坝体侵润线出逸点，超过的高度应使坝体侵润线在
该地区的冻结深度一下，1级，2级坝不小于2.0m，3、4级坝不小于1.5m，并应超 过波浪沿坡面的爬高；底脚应设置排水沟或排水体；材料应满足防浪护坡的要求。
DLT5395-2007：坝顶高程应超出下游最高水位，超过的高度，1、2级坝不应小
波浪爬高值ha计算
规范规定，设计波浪爬高值应根据工程等级确定，1~3级采用累计频率为1%
的爬高值，4~5级采用累计频率为5%的爬高值。需用相应的浪高h通过下式计
算波浪爬高值。
1)当上游坝坡参数m=1.5~5.0时，
2)当m≤1.2时，
ha=KΔKw[hL/(1+m2)]1/2
ha=KΔKwRoh 3)当1.25<m<1.5时，由m=1.25和m=1.5的计算值按内插法求得。
SL274-2001规定，当砂砾石层深度在15m以内，宜采用明挖回填粘土截
水槽； DLT-5395-2007规定，当砂砾石层深度在20m以内时，宜采用明挖回填粘 土截水槽，超过20m时经技术经济比较，也可采用明挖回填混凝土截水 槽；
水工建筑物（第5版），砂砾石层深度在10~15m以内，或不超过20m时
与基岩接触面抗渗流冲刷的容许比降以及施工条件确定。容许必将一般 对沙壤土取3，壤土取3~5，粘土取5~10.截水槽上部与坝的防渗体连成整 体，下部与基岩紧密结合，形成一个完整的防渗体系。截水槽的开挖深 度一般不超过20m。
坝顶宽度确定
坝顶宽度确定： SL 274—2001及DLT 5295-2007《碾压式 土石坝设计规范》规定：高坝顶宽可选 为10~15m,中低坝顶宽可选5~10m.
坝坡坡率的确 定
土质方防渗体的心墙坝，
下游：坝壳采用堆石时，常用坡率为1:1.5~1:2.5， 坝壳采用土料时，常用坡率为1:2.0~1:3.0
SL274-2001：坝顶高程应高于坝体侵润线出逸点，超过的高度应使坝体侵润线在
该地区的冻结深度一下，1级，2级坝不小于2.0m，3、4级坝不小于1.5m，并应超 过波浪沿坡面的爬高；底脚应设置排水沟或排水体；材料应满足防浪护坡的要求。
DLT5395-2007：坝顶高程应超出下游最高水位，超过的高度，1、2级坝不应小
波浪爬高值ha计算
规范规定，设计波浪爬高值应根据工程等级确定，1~3级采用累计频率为1%
的爬高值，4~5级采用累计频率为5%的爬高值。需用相应的浪高h通过下式计
算波浪爬高值。
1)当上游坝坡参数m=1.5~5.0时，
2)当m≤1.2时，
ha=KΔKw[hL/(1+m2)]1/2
ha=KΔKwRoh 3)当1.25<m<1.5时，由m=1.25和m=1.5的计算值按内插法求得。
SL274-2001规定，当砂砾石层深度在15m以内，宜采用明挖回填粘土截
水槽； DLT-5395-2007规定，当砂砾石层深度在20m以内时，宜采用明挖回填粘 土截水槽，超过20m时经技术经济比较，也可采用明挖回填混凝土截水 槽；
水工建筑物（第5版），砂砾石层深度在10~15m以内，或不超过20m时
与基岩接触面抗渗流冲刷的容许比降以及施工条件确定。容许必将一般 对沙壤土取3，壤土取3~5，粘土取5~10.截水槽上部与坝的防渗体连成整 体，下部与基岩紧密结合，形成一个完整的防渗体系。截水槽的开挖深 度一般不超过20m。
《水利工程概论》第四章-4 土石坝
土石坝的剖面形状和构造
设置马道和排水沟，用以拦截雨水、防止坝面冲刷。
土石坝的剖面形状和构造
土石坝一般由以下几部分组成： 坝体 坝的主体 防渗体 控制坝体浸润线位置，保持坝体渗流稳定性 排水设施 安全地排出坝体的渗水，加速孔隙水压力的
消散，防止下游坝坡的渗透破坏 护坡 防止波浪、气温、雨水等自然现象对坝坡的危害
土及土力学基本知识
土：是岩石经风化后，产生崩解、破碎、变质，又经过 各种自然力搬运，在新的环境下沉积下来的颗粒状松散 堆积物。
土的作用是： （1）承受其上的结构载荷； （2）作为材料，修建坝堤、路基等。
土及土力学基本知识
材料的物理性4因素：粒度、密度、湿度、 构度
土 力 学
力学3性能：渗透性、压缩性、抗剪性 土体（地基、边坡、洞室）的
土及土力学基本知识
土的抗剪性
土的抗剪强度是土的重要力学性 质指标。土体的破坏，其本质是剪切 破坏。
例如边坡太陡、在雨季或受到震 动后，容易产生滑动破坏，滑动面显 然属剪切破坏面，这种情况比较常见， 具有直观性；又如地基破坏，直观上 是受压，但本质上也是剪切破坏，在 地基中形成两个大体对称的滑动破坏 面，这种情况较少见到，通常不具有 直观性。
土及土力学基本知识
在土的粒径级配曲线上纵坐标为 10所对应的粒径 称为 有效粒径； 与 的比值称为不均匀系数 ，即：
值越小，曲线越陡，土越均匀； 值越大，曲线越平缓，土越不均匀； 级配良好，作填方，砂垫层，易于获得较大密实度。 当 < 5时，曲线很陡，表示土均匀； 当 > 10 时，曲线很平缓，表示土的级配良好。
我国已建和在建高土石坝（坝高大于100m）
坝高（m） 133 133 101．8 107 102．5 100 114 103．8 120 122 178 154 138 133 123．5 120 110．7 104．5 104 103
土石坝基本剖面
通、检修、观察，增长稳定。上游除观察需要外，趋 向不设马道，下游坝坡也不设或少设。在坝坡上设置 斜马道效果良好，对坝面交通极为有利，设Z字形上 坝公路，防止岸坡开挖道路。
2023/12/
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上游坝坡比下游坝坡缓—上游坝坡长久处于饱和状态，水 库水位也可能迅速下降 斜墙坝旳上游坝坡比心墙坝缓—土质防渗体斜墙坝上游坝 坡旳稳定受斜墙土料特征控制，下游坝坡相反
坝顶应高出静水位0.5m以上，非常情况不低于静水位。
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小浪底水利枢纽工程特征表
调整性能
千年一遇设计洪水位(m) 万年一遇校核洪水位(m)
正常高水位(m) 正常死水位(m)
不完整年调整
274 275 275 230
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坝顶超高：d=ha+e+A 式中ha为最大风浪爬高、e为最大风雍水面高
变坡与不变坡—粘性土料做成旳坝坡沿高度分段，自上而 下放缓（地震加速度分布系数在坝顶较大） 均质坝放缓下游坝坡—透水性大，为维持渗流稳定； 坝基和坝体土料沿坝轴线分布不一致时，分段采用不同坡 率，坝坡缓慢过渡。
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水布垭下游坝面
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坝顶宽度必须考虑心墙和斜墙顶部以及反滤层旳需 求。寒冷地域还需有足够旳宽度以保护粘性土料防渗体 免受冻害。
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四、坝体坡度
坝坡与坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质以及 施工措施有关，一般参照工程实践类比拟定，然后 核实、修改拟定。在满足稳定旳前提下，尽量陡以 节省工程量。
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常用坝坡： 中低坝 1：3 土质防渗体旳心墙坝，下游坝壳为堆石时，坝坡
为1：1.5～1：2.5，采用土料时1：2.0～1：3.5 斜墙坝下游坝坡可略陡，上游略缓 面板坝：根据石料不同可选1：1.4～1：1.7 1：
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上游坝坡比下游坝坡缓—上游坝坡长久处于饱和状态，水 库水位也可能迅速下降 斜墙坝旳上游坝坡比心墙坝缓—土质防渗体斜墙坝上游坝 坡旳稳定受斜墙土料特征控制，下游坝坡相反
坝顶应高出静水位0.5m以上，非常情况不低于静水位。
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小浪底水利枢纽工程特征表
调整性能
千年一遇设计洪水位(m) 万年一遇校核洪水位(m)
正常高水位(m) 正常死水位(m)
不完整年调整
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坝顶超高：d=ha+e+A 式中ha为最大风浪爬高、e为最大风雍水面高
变坡与不变坡—粘性土料做成旳坝坡沿高度分段，自上而 下放缓（地震加速度分布系数在坝顶较大） 均质坝放缓下游坝坡—透水性大，为维持渗流稳定； 坝基和坝体土料沿坝轴线分布不一致时，分段采用不同坡 率，坝坡缓慢过渡。
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坝顶宽度必须考虑心墙和斜墙顶部以及反滤层旳需 求。寒冷地域还需有足够旳宽度以保护粘性土料防渗体 免受冻害。
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四、坝体坡度
坝坡与坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质以及 施工措施有关，一般参照工程实践类比拟定，然后 核实、修改拟定。在满足稳定旳前提下，尽量陡以 节省工程量。
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常用坝坡： 中低坝 1：3 土质防渗体旳心墙坝，下游坝壳为堆石时，坝坡
为1：1.5～1：2.5，采用土料时1：2.0～1：3.5 斜墙坝下游坝坡可略陡，上游略缓 面板坝：根据石料不同可选1：1.4～1：1.7 1：
二级建造师水利水电考点：土石坝的构造及作用
二级建造师水利水电考点：土石坝的构造及作用（一）土石坝：基本剖面是梯形，由坝顶构造、防渗体、上下游坝坡、坝体排水、地基处理等细部构造组成。
1．坝顶宽度：根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。
高坝可选用10－15m,中、低坝可选用5－10m。
宽度必须充分考虑心墙或斜墙顶部及反滤层、保护层的构造需要。
2．护面。
材料可采用碎石、砌石、沥青、砼，IV级以下的坝下游也可以采用草皮护面。
为排雨水，坝顶应做成向一侧或两侧倾斜的横向坡度，坡度宜采用2％－3％。
对于有防浪墙的坝顶，则宜采用单向向下游倾斜的横坡。
3．防浪墙、坝顶上游侧常设砼或浆砌石防浪墙，高度一般为1.0－1.2m。
（二）防渗体土坝防渗体主要有心墙、斜墙、铺盖、截水墙等，作用：减少渗流量；降低浸润线，增加下游坝坡的稳定性；降低渗透坡降，防止渗透变形。
砼重力坝：防渗层厚度一般为1/20－1/10水头，但不小于２米。
（三）土石坝的护坡与坝坡排水1．护坡。
土石坝的护坡形式有：草皮（不能做上游护坡）、抛石、干砌石、浆砌石、砼或钢筋砼、沥青砼或水泥土等。
作用：防止波浪淘刷、顺坝水流冲刷、冰冻和其他形式的破坏。
2．坝坡排水。
除干砌石或堆石护面外，均必须设坝面排水。
坝较长时，则应沿坝轴线方向每隔50－100m左右设一横向排水沟，以便排除雨水。
（四）土石坝的排水设施1．排水设施。
形式有贴坡排水、棱体排水、褥垫排水、管式排水、综合式排水。
坝体排水的作用：降低坝体浸润线(后四种)、孔隙水压力，防止坝坡土冻胀破坏。
在排水设施与坝体、土基接合处，都应设置反滤层。
前两种最常用。
（1）贴坡排水。
紧贴下游坝坡表面，由1－2层堆石或砌石筑成，顶部应高于坝体浸润线的逸出点，保证坝体浸润线位于冰冻深度以下。
贴坡排水构造简单、节省材料、便于维修，但不能降低浸润线，且易因冰冻而失效，常用于中小型工程下游无水的均质坝或浸润线较低的中等高度坝。
（2）棱体排水。
在下游坝脚处用块石堆成棱体，顶部高程应超出下游最高水位，超出高度应大于波浪沿坡面的爬高，并使坝体浸润线距坝坡的距离大于冰冻深度。
土石坝教程
4. 土石坝也存在着一些缺点 ●坝顶一般不能溢流(低土石坝采取特殊结构泄小 流量者例外)，需在河岸上另开溢洪道或其他泄水 建筑物； ●施工导流不如混凝土坝方便； ●坝体工程量大，当采用粘性土料填筑时受气候 条件的影响较大。
二、土石坝的工作特点
土石坝是一种散粒体结构，因而具有与其它坝 型不同的工作特点。 1.稳定方面 2.渗流方面
第四章 土石坝
小浪底坝体剖面图
石砭峪水库
石头河水库
主坝坝型为沥青混凝土斜墙堆石坝，最大坝 高82.5米，坝顶长度285米，坝基岩石为片 麻花岗岩，坝体工程量208万立米。主要泄 洪方式为隧洞，大坝特点是定向爆破筑坝。
主坝坝型为粘土心墙土石坝,最大坝 高105米,坝顶长度590米,坝基岩石为 石英片岩,坝体工程量855万立米,主 要泄洪方式为岸边溢洪道.
一、土石坝的工作特点
稳定方面： 不会沿坝基面整体滑动，失稳形式主要是 坝坡滑动或连同部分地基一起滑动 坝体为散粒体结构，在上下游水位差作用下 经坝体和地基向下游渗透，产生渗透压力和 渗透变形，严重时会导致坝体失事，浸润面 和浸润线的概念 颗粒间粘结力小，因此土石坝抗冲能力较低 颗粒间存在孔隙，受力后产生沉陷，分为均 匀沉降和非均匀沉降
第二节 土石坝的剖面尺寸与构造
坝体剖面尺寸 土石坝的构造
一、坝体剖面尺寸
1.坝顶高程 (1)坝顶在静水位以上的超高y y=R+e+A 式中： y——坝顶超高，m; R ——最大波浪在坝坡上的爬高，m; e —— 最大风壅水面高度，m; A——安全加高，m。
eos
(a)A值 查规范SL274-2001。 (b)e值
3.按坝体材料和防渗体布置分类 碾压式土石坝按筑坝材料和防渗体的位置可分为 以下几种坝型。 ●均质土坝：坝体基本上由一种透水性较弱的土料 (如壤土、砂壤土等)填筑而成。坝体的整个剖面用 以防渗并保持稳定。 ●心墙土坝：以透水性小的防渗体布置在坝身中央， 称为心墙；而两侧以透水性较大的砂或砂砾料做坝 壳，用以支撑心墙保持坝体稳定。心墙常用粘性土 构成，称为塑性心墙。也可用沥青混凝土或钢筋混 凝土构成，后者称为刚性心墙。
土石坝基本剖面.ppt
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常用坝坡： 中低坝 1：3 土质防渗体的心墙坝，下游坝壳为堆石时，坝坡
为1：1.5～1：2.5，采用土料时1：2.0～1：3.5 斜墙坝下游坝坡可略陡，上游略缓 面板坝：根据石料不同可选1：1.4～1：1.7 1：
1.3～1：1.4 1：1.5～1：1.6 在变坡处设马道—拦截雨水，防止冲刷坝面，交
§2 土石坝基本剖面
一、设计要求、步骤 二、坝顶高程 三、坝顶宽度 四、坝体坡度
2020/10/27
1
一、土石坝设计要求、步骤
剖面设计包括：坝顶高程、坝顶宽度、坝体坡度 以及防渗体和排水设备等，设计要求见第一节。
设计步骤： ✓ 进行坝型比选 ✓ 拟定坝的各部分尺寸 ✓ 进行渗透、稳定、沉陷的校核计算 ✓ 细部构造设计，地基处理设计 ✓ 计算工程量，取最优方案
2020/10/27
2
二、坝顶高程
坝顶高程＝水库静水位加相应的超高，取下列中的最大值 设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高 正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高 校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高 正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全 加高 坝顶高程是指沉陷稳定后的，竣工时的坝顶高程预留 足够的沉陷超高。 坝顶设防浪墙时，d为静水位到墙顶的高差。正常情况
✓变坡与不变坡—粘性土料做成的坝坡沿高度分段，自上而 下放缓（地震加速度分布系数在坝顶较大） ✓均质坝放缓下游坝坡—透水性大，为维持渗流稳定； ✓坝基和坝体土料沿坝轴线分布不一致时，分/27
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水布垭下游坝面
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坝顶宽度必须考虑心墙和斜墙顶部以及反滤层的需 求。寒冷地区还需有足够的宽度以保护粘性土料防渗体 免受冻害。
土石坝
土石坝设计一 基本资料：某土坝等级：2级；该地区多年平均最大风速：16.90m/s 。
风速长度D=1.544km ；洪水标准：设计洪水标准100年（相应水位▽32.59m ）， 校核洪水标准2000年（相应水位▽33.73m ）；水库低平均高程取为10m ；地震烈度Ⅵ度；附近多为粘性土，土样实验慢剪c 、ϕ小值、平均值分别为10.9kPa 、28.3°，渗透系数为8.79×10-4cm/s 。
二 选择土坝类型由于该地区附近多为粘性土，选择粘性土作为修建坝体的材料。
在这里选用土坝类型为均质坝。
三 土坝基本剖面 1 坝顶高程坝顶高程根据正常运用和非正常运用的静水位加相应的超高Y 予以确定。
Y 按下式计算：Y=R+e+A20cos 2mKv D e gH β=式中 R ——波浪在坝坡上的最大爬高，m ；e ——最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m ；H m ——坝前水域平均水深，m ；K ——综合摩阻系数，其值变化在（1.5～5.0）×10-6之间，计算时一般取K=3.6×10-6；β——风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，°； V 0、D ——计算风速和风区长度； A ——安全加高，m 。
⑴ 计算波浪的平均爬高R m 。
当坝坡系数m=1.5～5.0时，平均爬高R m 计算公式为m R =式中 K ∆——斜坡的糙率渗透系数，根据护面类型确定； K w ——经验系数，由计算风速v 0（m/s ）、水域平均水深H m （m ）和重力加速度gm ——单坡的坡度系数，若单坡坡角为α，则m=cot α； H m 、l m ——平均坡高和坡长，m 。
莆田实验站的坡高和波长计算： 1）平均波高用下式计算：0.450.720220.700200.00180.130.70.130.7m mm gD v gh gH th th v v gH th v ⎧⎫⎛⎫⎪⎪ ⎪⎡⎤⎪⎪⎛⎫⎪⎪⎝⎭⎢⎥=⎨⎬ ⎪⎡⎤⎢⎥⎝⎭⎛⎫⎪⎪⎣⎦⎢⎥ ⎪⎪⎪⎢⎥⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭ 式中符号意义同前。
土石坝的工作条件
拱梁分载法
拱梁分载法把拱坝看成由一系列水平拱圈和铅直梁所 组成，荷载由拱和梁共同承担，各承担多少荷载由拱梁 交点处变位一致条件决定。
荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱按纯拱法计 算应力。
h
24
拱坝应力分析
拱梁分载法包括拱梁法和拱冠梁法
拱梁法将拱坝看成由一系列水平拱和一系列铅直梁组 成，拱梁荷载分配时需考虑拱梁每个交点处的变位协调。
②适应地基变形的能力强。 ③构造简单，施工技术容易掌握，适应于大型机械
化施工。 ④运用管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和
扩建均较容易。
h
35
土石坝的特点与类型
土石坝的特点
缺点：①坝顶不能溢流。受散土石料强度的限制，土石坝 坝身通常不允许过流，需单独设置泄水建筑物。
②施工导流不如混凝土坝方便。 ③坝体填筑工程量大，而且土料施工受气候条件的 影响较大。
h
64
Hale Waihona Puke 1、坝顶高程坝顶高程由水库静水位加上风壅高度、 波浪爬高及安全超高决定。
h
65
坝顶超出静水位以上的超高按下式计算：
Y = R+e+A
式中：Y—坝顶在水库静水位以上的超高（m）， R—最大波浪在坝坡上的爬高（m）； e—最大风壅水面高度（m）； A— 安全加高(m)；
另一类是模型试验法，它包括线弹性结构应力模型试 验和地质力学模型试验。
h
28
拱坝的坝肩稳定分析
改善拱座稳定的措施 通过拱座稳定分析，如发现不能满足要求，可采取以下 改善措施： 1、加强地基处理，对不利的节理等进行有效的冲洗并进 行固结灌浆，必要时可采用预应力锚固措施，以提高 其抗剪强度。 2、加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少岩体的渗透 压力。
拱梁分载法把拱坝看成由一系列水平拱圈和铅直梁所 组成，荷载由拱和梁共同承担，各承担多少荷载由拱梁 交点处变位一致条件决定。
荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱按纯拱法计 算应力。
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拱坝应力分析
拱梁分载法包括拱梁法和拱冠梁法
拱梁法将拱坝看成由一系列水平拱和一系列铅直梁组 成，拱梁荷载分配时需考虑拱梁每个交点处的变位协调。
②适应地基变形的能力强。 ③构造简单，施工技术容易掌握，适应于大型机械
化施工。 ④运用管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和
扩建均较容易。
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土石坝的特点与类型
土石坝的特点
缺点：①坝顶不能溢流。受散土石料强度的限制，土石坝 坝身通常不允许过流，需单独设置泄水建筑物。
②施工导流不如混凝土坝方便。 ③坝体填筑工程量大，而且土料施工受气候条件的 影响较大。
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Hale Waihona Puke 1、坝顶高程坝顶高程由水库静水位加上风壅高度、 波浪爬高及安全超高决定。
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坝顶超出静水位以上的超高按下式计算：
Y = R+e+A
式中：Y—坝顶在水库静水位以上的超高（m）， R—最大波浪在坝坡上的爬高（m）； e—最大风壅水面高度（m）； A— 安全加高(m)；
另一类是模型试验法，它包括线弹性结构应力模型试 验和地质力学模型试验。
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拱坝的坝肩稳定分析
改善拱座稳定的措施 通过拱座稳定分析，如发现不能满足要求，可采取以下 改善措施： 1、加强地基处理，对不利的节理等进行有效的冲洗并进 行固结灌浆，必要时可采用预应力锚固措施，以提高 其抗剪强度。 2、加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少岩体的渗透 压力。
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➢在高烈度地震区可采用上缓下陡的坝坡。
➢（4）均质坝放缓下游坝坡——透水性大， 为维持渗流稳定。
➢（5）坝基和坝体土料沿坝轴线分布不一致
时，分段采用不同坡率，设过渡区，坝坡缓
慢 变 化 。 3/23/2021
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2.坝坡初选
●中、低均质坝，平均为1：3。
●土质心墙坝，下游为堆石1：1.5～1：2.5，采用土料 1：2.0～1：3.0；上游采用堆石1：1.7～1：2.7，采 用土料1：2.5～1：3.5。 ●斜墙坝下游可略陡；上游可略缓，石质放缓0.2，土 质放缓0.5。 ●面板堆石坝，上游1：1.4～1：1.7；下游1：1.3～1： 1.4，卵砾石1：1.5～1：1.6，H＞110m时，适当放缓。
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二、土石坝的构造 土石坝的构造主要包括坝顶、护坡、防渗体和排 水设施等四个部分。
一、防渗体
按防渗体材料可分为：
土质防渗体：粘性土心墙和斜墙等；
非土质材料防渗体：沥青混凝土、钢筋混凝土心墙、 斜墙、面板和复合土工膜等。
1．土质防渗体
3/23/2021
实践证明：土质防渗体的断面及厚度取决于防 渗体土料的允许比降，在设计中通常采用渗流平均
高出静水位0.5m，非常条件下▽坝顶≮▽静水位。
●超高d的计算
d=R+e+A （1）
式中 R—— 波浪爬高，m；
e —— 风浪壅高，m；
A —— 安全加高，m，
根据坝的级别采用。
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坝的级别
1
正常运行 1.50
非常运行 （a）山 区，丘陵 区
非常运行 （b）平 原，滨海 区
0.70 1.00
近年来许多工程都倾向于采用简单的单层式
沥 青 混 凝 土 斜 墙 。 3/23/2021
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沥青混凝土面板构造
13 3
3
10 15
2
9 2 12 6 6 2
第
2 4
七
5
节 土
6
10 6
11 6
石
坝
7
8
9
的
（ ） （ ） （ ）
构
造
a
b
c
1-沥青砂胶；2-沥青砂浆；3-沥青混凝土（分3层浇 筑）；4-排水层；
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➢马道：设在变坡处—拦截雨水，防止冲刷 坝面，交通、检修、观测，增加稳定。上游 除观测需要外，趋向不设马道，下游坝坡也 不设或少设。在坝坡上设置斜马道效果良好， 对坝面交通极为有利，设Z字形上坝公路， 避免岸坡开挖道路。宽度按用途确定， b≮1.5m。
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饱和状态，水库水位也可能快速下降。
（2）斜墙坝的上游坝坡较心墙坝为缓——土质
防渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性控
制，下游坝坡相反。
（3）变坡与不变坡——粘性土料的稳定坝坡上
部陡，下部缓，每隔10～30m，逐段放缓，相邻
坡率差值取0.25或0.5；
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➢砂土和堆石的稳定坝坡为一平面，可采用均 一坡率；
●地震涌浪高△A地震＝0.5～1.5m
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水库吹程D（km） 正常波浪爬高R+e 最小波浪爬高
（m）
R +e （m）
<1.6
1.2
0.9
1.6
1.5
1.2
4.0
1.8
1.5
8.0
2.4
1.8
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16.0
3.0
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2.1
d ReA
二、坝顶宽度
规范规定：
高坝b=10～15m； 中、低坝b=5～10m。
三、坝坡 坝坡与坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质以及施工方 法有关， 一般参照工程实践类比拟定，然后核算、修改确定。 在满足 稳定的前提下，尽可能陡以节约工程量。
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第6页/共31页
原则：
（1）上游坝坡比下游缓——上游坝坡长期处于
第11页/共31页
允许比降
最大作用水头H与允许比降的比值：T=H/[J]。
工程中：理论计算的防渗体断面可能太薄， 其对抗震抗裂不利。
为此，根据实际工程经验提出的允许比降：
心墙不宜大于4.0，斜墙不宜大于5.0
据此求出土质防渗体底部的厚度。
土质防渗体顶部最小厚度宜取3.0m。 心(斜)墙顶部、上游墙面应设保护层，其 厚度不得小于1.0m。
2．非土质材料防渗体
（1）沥青混凝土防渗体
沥青混凝土具有: 塑性和柔性好；防渗性能较 好。渗透系数约10-7～10-10cm/s；厚度通常 取40～125cm。对于中低坝，其底部厚度可采 用坝高的1/40～1/60，顶部但不应小于30cm。
沥青混凝土斜墙坝：
沥青混凝土斜墙做成双层式，即在两层沥青 混凝土防渗层之间夹一层由贫沥青混凝土铺成 的排水层，其作用是排除渗过首层防渗层的渗 水。
土质防渗体与坝壳的上、下游接触面，如 不能满足反滤要求，均须设置反滤层。
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土质防渗体坝
8 139.2
过渡层 90.5
截水墙 6 （a） 8
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保护层
砂壳
1:3.5
反滤层 粘土斜墙Βιβλιοθήκη 截水墙 不透水层 混凝土齿墙
（b）
砂砾石冲积层
（a）粘土心墙坝； （b）粘土斜墙坝 第13页/共31页
5-沥青混凝土（分2层浇筑）；6-整平层；7-沥青砂浆； 8-碎石垫层；
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9-混凝土截水墙；10-沥青砂浆；11-滑动层
第15页/共31页
（2）钢筋混凝土面板
钢筋混凝土防渗体： 在堆石坝中应用，少量土坝有采用。防渗体的 型式，以面板或心墙防渗体的。 如广东飞来峡水库的副坝就是用钢筋混凝土做 成第七 心墙防渗体的土坝。 3节土、复合土工膜 石坝利用土工膜作坝体防渗体材料：
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R
坝顶超高计算图
第1页/共31页
d ReA
一、坝顶高程 ▽坝顶＝▽静水位+d（坝顶超高）: ●按四种条件计算，取最大值：
① ▽坝顶＝▽设计+ d正常； ② ▽坝顶＝▽正常+ d正常；
③ ▽坝顶＝▽校核+ d非常；④ ▽坝顶＝▽正常+ d非常+△A地 震。
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●设防浪墙时，为对▽防浪的要求，正常条件下▽坝顶应
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2 1.00 0.50
3 0.70 0.40
0.70
0.50
第3页/共31页
4、5 0.50 0.30
0.30
d ReA
●R和e的计算可按土石坝规范推荐的公式计算。 对中、小型，R+e可按坝前水库吹程D作近似估计，见 下表。对于非常光滑的坝坡面，波浪爬高宜增大50%。
●竣工时的坝顶高程应预留足够的沉降量。根据工 程经验，预留沉降量为1%H。